621.385.6.6
Измерение температуры листовых материалов в микроволновых установках типа бегущей
волны
В. Н. НЕФЕДОВ, Л. В. МАМОНТОВ, В. П. СИМОНОВ, В. В. АФАНАСЬЕВ
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»,
Москва, Россия, e-mail: a.mamontov@hse.ru
Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области высокоэффективных микроволновых технологий термообработки листовых материалов. В качестве нагревательных элементов микроволновых устройств использованы двумерно-периодические замедляющие системы. Расхождение теоретических и экспериментальных характеристик распределения температуры в листовом материале и отклонение температуры от номинального значения соответственно не превышает 3 и 5 %.
Ключевые слова: СВЧ-устройство, распределение температуры, диэлектрический материал, замедляющая система.
The theoretical and experimental research results in the field of high-performance microwave technologies of sheet materials thermal processing are presented. The sections of two-dimensional periodic slow-wave systems are used as heating elements. The divergence of theoretical and experimental temperature distribution characteristics in the sheet material does not exceed 3%, and the temperature deviation in the material from the nominal temperature value does not exceed 5%.
Key words: microwave device, temperature distribution, dielectric material, slow-wave system.
Для создания высокоэффективных технологий термообработки листовых материалов больших площадей актуально использование микроволновых установок непрерывного действия. Наиболее перспективными являются микроволновые устройства, осуществляющие взаимодействие диэлектрического листового материала с полем бегущей волны. В качестве нагревательного элемента в таких устройствах используют двумерно-периодические замедляющие системы [1, 2].
Основу конструкции двумерно-периодической замедляющей системы составляют проводники многопроводных линий, расположенные вдоль оси Т параллельно друг другу и на равных расстояниях. На проводниках периодически размещены элементы конструкции — индуктивные диафрагмы, между которыми находятся двойные связки. Элементы конструкции обеспечивают необходимые электродинамические параметры замедляющей системы как в поперечном направлении X движения материала, так и в продольном направлении Т распространения энергии электромагнитного поля. Направление X характеризуется поперечным фазовым сдвигом фх на периоде пространства взаимодействия -х, а продольное — сдвигом ф2 на периоде пространства взаимодействия -г В поперечном направлении рассматриваемая система ограничена электрическими стенками, расположенными в плоскостях симметрии системы. Между этими стенками устанавливается замедленная стоячая волна. В продольном направлении размер секции определяется шириной обрабатываемого диэлектрического материала I = N¿1-2, где Nz — число периодов пространства взаимодействия системы вдоль оси Т. Размер двумерно-периодической системы между двумя электрическими стенками определяется числом периодов пространства взаимодействия замедляющей системы Nx в направлении оси X и равен NxLx.
Количество периодов пространства взаимодействия Nx в направлении оси X определяется дисперсионными свойствами используемой системы [1, 2].
Секция устройства СВЧ-нагрева листовых материалов состоит из двумерно-периодической замедляющей системы, которая с одной стороны согласована с источником СВЧ-энергии, а с другой — с водяной нагрузкой, на которой установлен датчик мощности для контроля технологического процесса. Устройство СВЧ-нагрева предназначено для термообработки относительно тонких диэлектрических материалов (^ < 0,05Х, где X — длина волны источника СВЧ-энергии), в которых распределение температуры по толщине материала ^ можно не учитывать, а по ширине I оно задается условиями технологического процесса. Устройство СВЧ-нагрева образовано двумя одинаковыми по конструкции и параметрам секциями, которые расположены одна над другой, а энергия электромагнитного поля распространяется во взаимно противоположных направлениях (рис. 1).
Рис. 1. Поперечное сечение устройства СВЧ-нагрева листовых материалов:
1, 3 — нижняя и верхняя секции, соответственно; 2 — диэлектрический материал; V — скорость движения материала
В замедляющей системе рабочими являются колебания с фазовым сдвигом вида фх = п(Мх - 1)/Мх. При этом коэффициент замедления системы на рабочей частоте колебаний электромагнитного поля кз = 5.
Каждую секцию устройства СВЧ-нагрева с обрабатываемым материалом можно, с физической точки зрения, представить эквивалентной моделью в виде нагруженной длинной линии [1, 3]. Рассмотрим нагрев листового материала, расположенного над поверхностью двумерно-периодической замедляющей системы, в стационарном режиме. Пусть источник СВЧ-энергии имеет выходную мощность Рвых, а листовой материал нагревается на длине электродинамической системы I от начальной Тн до конечной Тк температуры материала. Будем полагать, что постоянная затухания амплитуды электрического поля в материале при Тн, 7к соответствует значениям ан, ак. Пусть входная мощность Рвх практически полностью поглощается материалом на длине I.
Выражение для распределения мощности в обрабатываемом материале с диэлектрическими потерями можно записать в виде функции, учитывающей зависимость диэлектрических параметров материала от температуры в направлении оси
Р(г) = / (г,Т )Рвхе-2а^,
где /(г, 7) — функция, учитывающая зависимость диэлектрических параметров от температуры в направлении распределения энергии электромагнитного поля.
Вид функции Цг, Т) получен при условии линейной зависимости мнимых значений относительных диэлектрических проницаемостей материала с ростом температуры на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц [3]. Для источников СВЧ-энергии, расположенных слева и справа от замедляющей системы, соответственно
/1(г,Т) =ан/[ак - (ак - ан)ехр(-2«нг)];
/2(г,Т) =«н/[ак - (ак - «н)ехР(-2«н(/ -г))].
При термообработке в непрерывном режиме относительно тонких листовых диэлектрических материалов необходимо учитывать конвективный теплообмен, так как пренебрежение им приводит к завышению до 20 % производительности установки СВЧ-нагрева.
Распределение температуры в материале от нижней секции микроволнового устройства в направлении распространения энергии электромагнитного поля имеет вид [1]:
Рис. 2. Рассчитанные (1) и экспериментальные (2) характеристики распределения температуры в листовом материале для модуля устройства СВЧ-нагрева; заштрихованная область соответствует результатам проведения серии из восьми экспериментов
ОД = Тн
2Рвхак )е-2анГ т N Lxdpaca + ут '
где сд, рд — теплоемкость и плотность материала, соответственно; т — время обработки материала в микроволновом поле; у — коэффициент конвективного теплообмена.
Распределение температуры в материале при нагреве двумя секциями СВЧ-устройства имеет вид [1]:
Т2(2) = Т(2)
2Рвхак?2*Т)е-2а"(г -г)т ых Lx ФдСд + ут '
Параметры секции двумерно-периодической замедляющей системы и материала
Рабочая частота колебаний электромагнитного поля . . . 2450 МГц
Мощность источника СВЧ-энергии......................0,8 кВт
Коэффициент стоячей волны
в полосе частот 100 МГц, не более....................1,45
на рабочей частоте.................................1,17
Период замедляющей системы вдоль оси !-г.............36 мм
Ширина материала /................................. 400 мм
Ширина секции в поперечном направлении Ых!-х......... 200 мм
Продольный фазовый сдвиг на рабочей частоте ф2.........0,2 п
Температура материала
начальная Тн......................................20°С
конечная Тк......................................180°С
Фактор потерь
г"................................................0,18
................................................0,3
Теплоемкость материала сд......................0,8 Дж/(г°С)
Плотность материала рд............................2,4 г/см3
Толщина материала (1...................................3,0 мм
Скорость движения материала.....................0,2 м/мин
Коэффициент конвективного теплообмена у.........6 Вт/(см°С)
На рис. 2 показаны экспериментальные и рассчитанные характеристики распределения температуры композиционного материала в модуле устройства СВЧ-нагрева в относительных единицах. Отклонение температуры в материале от номинального значения температуры не превышает 5 %, а расхождение рассчитанных и измеренных характеристик распределения температуры в материале не более 3 %. Температуру материала измеряли по центральной линии секции микроволновой установки в направлении распространения энергии через каждые 50 мм при выключенном источнике СВЧ-энергии.
Полученные результаты могут быть использованы в технологических процессах термообработки листовых материалов в различных отраслях промышленности.
Л и т е р а т у р а
1. Мамонтов А. В., Нефедов В. Н., Назаров И. В., Потапова Т. А. Микроволновые технологии: Монография. М.: Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий Московского института электроники и математики (технического университета), 2008.
2. Шахбазов С. Ю., Нефедов М. В., Никишин Е. В., Лоик Д. А., Никишев А. О. Измерение распределения температурного поля по толщине листовых материалов в СВЧ-устройствах типа бегущей волны // Метрология. 2008. № 5. С. 38—44.
3. Назаров И. В., Нефедов М. В., Нефедов В. Н., Потапова Т. А., Мамонтов А. В. Измерение распределения температурного поля по сечению материалов в поле бегущей СВЧ-волны // Метрология. 2006 № 3. С. 9—20.
Дата принятия 16.04.2015 г.
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
621.3.049.77.019.3
Методическая погрешность измерений показателя степени частотной зависимости спектра низкочастотного шума
В. А. СЕРГЕЕВ1-2, С. Е. РЕЗЧИКОВ2
1Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Ульяновск, Россия, e-mail: sva@ulstu.ru 2Ульяновский государственный технический университет, Ульяновск, Россия,
e-mail: flicker-noise@mail. ru
Рассмотрены особенности измерений пар
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.